神經(jīng)肽Y 系統(tǒng)特征及其魚類生理調(diào)控研究進展

梁 晶，張 炳，項驍煒，王天明，楊靜文

（浙江海洋大學海洋科學與技術(shù)學院，國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程與技術(shù)研究中心，浙江舟山 316022）

神經(jīng)肽Y（neuropeptide Y，NPY），是1982 年由TATEMOTO,et al[1]等人首次從豬腦組織中提取得到的一種由36 個氨基酸組成的小分子單鏈多肽，分子量為4.271 kDa。隨后其又在鳥類、兩棲動物和魚類中被分離出來。NPY 在結(jié)構(gòu)上與多肽YY（peptide YY，PYY）、胰多肽PP（pancreatic polypeptide，PP）、胰多肽Y（pancreatic peptide Y，PY）相似，故同屬于胰多肽家族[2]。魚類主要分泌NPY 和PYY，只有部分硬骨魚能夠分泌PY[3]，包括羅非魚Oreochromis mossambicus[3]、黑鱸Micropterus salmoides[4]，而PP 目前發(fā)現(xiàn)只存在于四足動物[5]。

在脊椎動物中，NPY 廣泛分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)，其通過激活靶組織細胞表面的NPY受體（neuropeptide Y receptor，NPYR），介導(dǎo)下游信號通路，進而促進動物攝食和生長，亦在調(diào)節(jié)體溫、能量代謝、生殖發(fā)育、心血管收縮以及壓力響應(yīng)與酒精代謝等方面發(fā)揮作用。目前在硬骨魚類的研究中發(fā)現(xiàn)，NPY 系統(tǒng)可以促進攝食，也能刺激生長激素（growth hormone，GH）和胃促生長素（ghrelin）的釋放，同時還能調(diào)節(jié)促性腺激素（gonadotropic hormone，GtH）和促黃體激素（luteinizing hormone，LH）的釋放，被視作調(diào)節(jié)攝食、生長和生殖三者關(guān)系的重要協(xié)調(diào)因子。

1 神經(jīng)肽Y 的結(jié)構(gòu)及分布

1.1 神經(jīng)肽Y 的結(jié)構(gòu)

NPY 成熟肽的一級結(jié)構(gòu)十分保守，其N 端有一個酪氨酸殘基，C 端有一個酪胺酰胺殘基，C 端的酰胺化對于NPY 的生物活性具有重要作用[6]。N 端的酪氨酸殘基既能幫助穩(wěn)定NPY 的三級結(jié)構(gòu)又與NPY 及其受體的結(jié)合有很大關(guān)聯(lián)[7]，C 末端區(qū)域具有發(fā)夾樣（hairpin）的空間結(jié)構(gòu)，一般被稱為PP 折疊（PP-fold）[2]，此結(jié)構(gòu)是由脯氨酸延伸構(gòu)成的脯氨酸螺旋（prolinehelix）通過一個轉(zhuǎn)折（turn）后與2 個酪氨酸構(gòu)成的α 螺旋交叉形成，而α 螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于pH 的變化。

從脊椎動物的NPY 核心序列比對可以看出，不同物種NPY 的氨基酸序列均有高度同源性[8]。如圖1所示，在不同物種中，非洲爪蟾Xenopus laevis與加州鱸Micropterus salmoides的NPY 成熟肽序列最多僅存在6 個不同的氨基酸（圖1）?；谝榷嚯募易逯蠳PY、PY、PYY 成熟肽氨基酸序列，構(gòu)建了16 個不同物種的NJ 系統(tǒng)進化樹。進化樹結(jié)果表明，脊椎動物中胰多肽家族的NPY 氨基酸序列同源性與其分類地位基本吻合（圖2）。

圖1 不同物種的NPY 成熟肽序列比對[9]Fig.1 NPY mature peptide sequence alignment of different species

圖2 不同物種中胰多肽家族成熟肽氨基酸序列的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.2 Phylogenetic trees of aminoacids sequences of pancreatic peptide family mature peptides in different species

1.2 神經(jīng)肽Y 的分布

NPY 作為一種神經(jīng)遞質(zhì)參與體內(nèi)多種生理功能的調(diào)節(jié)，在生物體中分布十分廣泛。NPY 主要分布在神經(jīng)系統(tǒng)中，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)方面，NPY 在端腦、視前區(qū)、視頂蓋以及丘腦中含量十分豐富，尤其在下丘腦弓狀核中常能發(fā)現(xiàn)較高濃度的NPY，調(diào)控下游因子及激素的合成與釋放，從而促進生物體的攝食行為[10]；另外，NPY 在海馬組織內(nèi)含量也非常豐富，大部分產(chǎn)生于γ-氨基丁酸中間神經(jīng)元，主要起到降低神經(jīng)元興奮性的作用[11]。而在外周神經(jīng)系統(tǒng)方面，NPY 主要分布在交感節(jié)后神經(jīng)元以及腎上腺髓質(zhì)等，并且NPY 常與交感神經(jīng)遞質(zhì)去甲腎上腺素共存[12]。

2 神經(jīng)肽Y 受體

NPY 在不同生物和器官中可執(zhí)行不同的生理功能，主要通過激活其不同的受體（NPYR）而得以實現(xiàn)。NPYR 作為NPY 在細胞膜上的靶向受體，屬于G 蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCR）家族，具有保守的7 次跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，是生物體內(nèi)最大的細胞膜受體蛋白家族，其N 端在膜外主要負責與信號遞質(zhì)結(jié)合，C 端在胞內(nèi)主要介導(dǎo)各類激酶的活化，在將細胞外信號傳遞到細胞內(nèi)效應(yīng)分子的過程中發(fā)揮了重要作用[1]。目前研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)肽Y 受體共有8 種亞型受體（Y1～Y8），早期脊椎動物的基因組在進化中，由一個NPY 受體基因通過2 次局部復(fù)制產(chǎn)生了Y1、Y2 和Y5 3 個受體亞家族，包括Y1 亞族受體（Y1、Y4、Y6、Y8）、Y2 亞族受體（Y2、Y7）和Y5 亞族受體（Y5）[13-15]。在進化過程中，哺乳動物已經(jīng)丟失了Y7 與Y8 2 種受體，目前只克隆獲得Y1、Y2、Y4、Y5 和Y6 5 種亞族受體[16]；在硬骨魚中，一直未發(fā)現(xiàn)Y5 和Y6 2種亞族受體，猜測二者可能均已丟失，另外，Y1 受體僅在斑馬魚中被發(fā)現(xiàn)，Y3 受體目前只是基于生物信息學的預(yù)測，還未在任何物種中克隆出來[11,17]（圖3）。不同基因座上的獨立基因編碼不同亞型的NPYR，因此NPY 在分布、表達、生理功能以及與受體之間的結(jié)合能力上差異明顯，也是該系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容[18]。

圖3 不同物種中NPY 受體氨基酸序列的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.3 Phylogenetic tree of NPY receptor amino acid sequences in different species

3 NPY/NPYR 系統(tǒng)介導(dǎo)的生理功能

NPY 經(jīng)過與不同的亞型受體結(jié)合，激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，觸發(fā)多種生理功能。NPYR 被激活后主要活化對PTX（百日咳毒素）敏感的Gi蛋白和對PTX 不敏感的Gq蛋白。在多種情況下，NPYR 介導(dǎo)的信號能抑制腺苷酸環(huán)化酶（AC）活性以降低3’，5’一環(huán)腺苷酸（cAMP）的合成；NPY 能通過依賴或不依賴于肌醇三磷酸路徑活化胞內(nèi)鈣庫增加鈣離子水平；NPYR 還能通過與膜上的Gq蛋白結(jié)合活化磷脂酶C（PLC），刺激二酰甘油（DAG）與三磷酸肌醇（IP3）生成，調(diào)節(jié)鈣離子通道和鉀離子通道[19]，從而實現(xiàn)對生物體生理功能的調(diào)控。目前研究認為：NPY 主要通過Y1，Y2，Y5 受體發(fā)揮促食欲作用[20-22]。Y2 還與記憶功能相關(guān)[23]，Y4 可能與食欲減退功能有關(guān)[24]，而目前研究還沒有證實Y6 受體的功能[25-26]。

3.1 NPY/NPYR 對魚類攝食行為的調(diào)節(jié)

魚類攝食行為的調(diào)節(jié)是一個非常復(fù)雜的過程。攝食行為是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及外周神經(jīng)系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)并在下丘腦整合進行調(diào)節(jié)的。NPY 作為下丘腦食欲調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中一種十分重要的內(nèi)源性促食欲因子，對生物體能量的攝入、消耗、儲藏及平衡起到至關(guān)重要的作用。在下丘腦的攝食調(diào)節(jié)中，弓狀核是腦腸肽（ghrelin）在中樞神經(jīng)起作用的主要位點。Ghrelin 的神經(jīng)元與下丘腦部的NPY 或刺鼠相關(guān)肽（AgRP）以及阿黑皮素（POMC）的神經(jīng)元胞體以及突觸相連接，從而實現(xiàn)對生物體的攝食調(diào)節(jié)（圖4）[27]。有研究對金魚Carassius auratus 進行饑餓處理，發(fā)現(xiàn)饑餓24 h 后，金魚下丘腦組織中NPY mRNA 表達顯著上升，饑餓72 h后在金魚各腦區(qū)均有NPY mRNA 的表達，尤其是大腦端腦的視前區(qū)及丘腦頂蓋部分發(fā)現(xiàn)表達大量NPY mRNA，在饑餓后重新喂養(yǎng)金魚，NPY mRNA 的表達很快恢復(fù)正常[28-29]，由此表明，NPY 在金魚的攝食調(diào)控中發(fā)揮了重要作用。并且此結(jié)果在斑馬魚Danio rerio[30]、鰱魚Hypophthalmichthys molitrix[31]、銀大麻哈魚Oncorhynchus keta[32]、南方鲇Silurus meridionalis[8]以及鮭魚Oncorhynchus kisutch[33]中得到證實，說明NPY 是參與魚類攝食調(diào)節(jié)中重要的神經(jīng)內(nèi)分泌信號。

圖4 下丘腦部的攝食調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[26]Fig.4 Network of neural feeding regulation in hypothalamus

由于NPY 必須與相應(yīng)NPYR 結(jié)合才能發(fā)揮相應(yīng)的生理功能調(diào)節(jié)作用，因此NPYR 對魚類攝食行為的調(diào)節(jié)與其特異性受體密切相關(guān)。研究人員在金魚腦室注射NPY 的Y1，Y2 及Y5 受體激動劑2 h 后，發(fā)現(xiàn)Y1 和Y5 2 種受體可增加金魚的攝食能力；而Y2 受體對金魚的攝食能力沒有作用[34]。還有研究人員對虹蹲Oncorhynchus mykiss腦室注射NPY 的Y1，Y2 及Y5 受體激動劑后，發(fā)現(xiàn)Y1 及Y2 受體能夠促進虹鱒的攝食活動；但注射Y5 受體激動劑的虹蹲完全不受影響[35]。在斑馬魚中，通過在腦室中注射NPY 的Y1 受體拮抗劑，則完全抑制了NPY 的作用[30]。推測不同魚類中參與攝食調(diào)節(jié)的NPYR的種類也有不同，比如金魚的攝食活動是由Y1 和Y5受體介導(dǎo)的，而虹鱒的攝食活動是由Y1 及Y2 受體介導(dǎo)的。

3.2 NPY/NPYR 對神經(jīng)內(nèi)分泌的調(diào)節(jié)

NPY 分布于下丘腦弓狀核、室旁核、室周核、正中隆起等多個區(qū)域，這些區(qū)域又是許多內(nèi)分泌細胞存在的部位，它們相互聯(lián)系共同調(diào)節(jié)機體復(fù)雜的生理活動。已有的研究證明，NPY 對生長激素（GH）、促性腺激素釋放激素（gonadotropin releasing hormone,GnRH）、催乳素（prolactin,PRL）、促甲狀腺激素（thyroid stimulating hormone,TSH）、黃體生成素（luteinizing hormone，LH）、生長抑素（somatostatin,SS）、促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素（corticotropin releasing hormone,CRH）和促性腺激素（GtH）等內(nèi)分泌激素都有一定的調(diào)節(jié)作用[35-37]。

3.2.1 NPY/NPYR 對下丘腦-垂體-性腺軸（hypothalamic-pituitary-gonadal axis，HPG 軸）調(diào)節(jié)的影響

研究表明下丘腦-垂體-性腺軸釋放的激素分別為：GnRH、LH/卵泡刺激素（follicle-stimulating hormone,FSH）和性激素。HPG 軸的主要功能是調(diào)控維持性的發(fā)育和性別特征。GnRH/GnRHR 信號系統(tǒng)是生殖發(fā)育HPG 調(diào)控軸的關(guān)鍵組成。早在1988 年，在研究NPY、GnRH 在兔子以及小鼠中表達時就有發(fā)現(xiàn)，切除卵巢的兔子及小鼠，NPY 不能刺激GnRH、LH 的表達，而不切除卵巢，則能夠刺激GnRH、LH 的表達，結(jié)果表明NPY 對于GnRH、LH 的調(diào)節(jié)作用必須依賴于卵巢的存在[38-39]。還有研究發(fā)現(xiàn)，在哺乳動物及魚類腦室注射NPY 對GH、TSH 和LH 的釋放都有一定的影響[40]。在魚類中，研究者借助于免疫化學分析等研究方法，在虹鱒、褐鱒Salmo trutta、以及蟾胡鯰clarias batrachus中均發(fā)現(xiàn)NPY 與GnRH 的調(diào)節(jié)有緊密的聯(lián)系[41-42]。利用雙重免疫標定法，研究人員發(fā)現(xiàn)香魚Plecoglossus altivelis的NPY 免疫陽性神經(jīng)纖維與視前區(qū)的GnRH 分泌細胞的位置接近且并列一起[43]。GAIKWAD,et al[42]研究蟾胡鯰發(fā)現(xiàn)前腦NPY 從嗅覺上皮細胞擴展至前腦垂體等不同的神經(jīng)軸調(diào)節(jié)GnRH 的分泌，推測NPY 能夠影響魚類GnRH 的表達。目前研究認為NPY 通過激活Y1 受體來促進GnRH 的分泌，尤其是直接增強GnRH 的分泌從而促進LH 從促性腺激素釋放激素靶細胞的釋放，在性激素正?；蜉^高情況下，NPY 使下丘腦GnRH 的分泌增多，而在較低情況下，則抑制其分泌，且NPY 對于GnRH 抑制主要是通過Y5 受體來介導(dǎo)的[44]。

3.2.2 NPY/NPYR 對下丘腦-垂體-腎上腺皮質(zhì)軸（hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPA 軸）調(diào)節(jié)的影響

NPY 分布于下丘腦的室旁核神經(jīng)元纖維中，而室旁核是HPA 軸活動的直接控制部位，HPA 軸是與應(yīng)激反應(yīng)關(guān)系最為密切的內(nèi)分泌軸。有研究對大鼠進行水上漂浮以及高強度運動等實驗，來證實大鼠在受到應(yīng)急刺激時，室旁核的NPY 神經(jīng)元纖維可支配下丘腦分泌2 種重要的促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素（CRH）和精氨酸加壓素（AVP），并刺激垂體分泌促腎上腺皮質(zhì)激素（ACTH），最終使腎上腺皮質(zhì)激素分泌增多[45]。由此可知NPY 對HPA 軸的活動有著一定的調(diào)控作用。另外HPA 軸也可影響NPY 系統(tǒng)，如CRH 通過負反饋抑制NPY 的表達[8]。皮質(zhì)醇作為一種應(yīng)激激素，能使生物體對壓力做出有效反應(yīng)。在魚類中，有研究人員在金魚腹腔內(nèi)注射皮質(zhì)醇，72 h 后發(fā)現(xiàn)端腦視前區(qū)NPY 分泌增多，CRF mRNA 水平的降低。結(jié)果表明，前腦NPY 和CRF 可能在HPA 軸的調(diào)控作用中發(fā)揮作用[46]。

3.3 NPY 的其他作用

除上述NPY 對魚類攝食行為、HPG 軸、HPA 軸調(diào)節(jié)外，NPY 對心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)以及消化系統(tǒng)也有一定的作用。NPY 可以與Y1 亞型受體結(jié)合使血管收縮，血壓升高，或者作用在中樞升高外周阻力等，很少量的NPY 就可引起緩慢且持久的血管收縮[47]。有研究人員在鰻鱺Anguilla japonica[48]、雀鱔Atractosteus spatula[49]的胰腺中發(fā)現(xiàn)NPY 免疫陽性細胞；在大西洋鱈魚Gadus morhua[50]及貓鯊Chiloscyllium punctatum[51]的消化管道的神經(jīng)纖維以及內(nèi)分泌細胞中有NPY 免疫反應(yīng)，推測NPY 可能參與魚類胃腸道的消化和吸收調(diào)節(jié)、胰腺的分泌活動調(diào)節(jié)以及與心血管活動調(diào)節(jié)。

4 神經(jīng)肽F 的生理功能

神經(jīng)肽F（NPF）發(fā)現(xiàn)于無脊椎動物，是脊椎動物中NPY 的同源多肽，NPF 也主要分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，另外其在肝臟、食管、性腺等器官中也有部分表達，對生物體生理調(diào)節(jié)機制起到重要作用[52]。無脊椎動物中最早在莫尼茨絳蟲Monieza expansa[53]中發(fā)現(xiàn)與脊椎動物NPY 同源的序列，因其序列螺旋C 末端的酪氨酸Y 被苯丙氨酸F 替換（RPRFamide），所以將NPY 的同源肽稱為NPF（neuropeptide F，NPF）。NPF 有很多與NPY 類似的調(diào)控功能，包括攝食[54]、學習與記憶[55]、繁殖[56]、壓力反饋[57]等。目前已經(jīng)在加州海兔Aplysia californica[58]、靜水椎實螺Lymnaea stagnalis[59]、槍烏賊Loligo vulgaris[60]、帽貝Patellace[61]、太平洋牡蠣Crassostrea gigas[62]等物種中獲得了NPF 的全長序列。自1992 年RAJPARA,et al[58]在加州海兔中樞神經(jīng)系統(tǒng)、食道神經(jīng)細胞以及腹部神經(jīng)細胞都有發(fā)現(xiàn)NPF 的表達后，JING,et al[63]在加州海兔頰和腦神經(jīng)節(jié)中發(fā)現(xiàn)，在給加州海兔注射NPF 后可使其產(chǎn)生飽食感，進而減少進食量，說明海兔NPF 與哺乳動物中NPY 的促進攝食作用正好相反。研究人員在給靜水椎實螺注射NPF 后發(fā)現(xiàn)，NPF 對其攝食行為沒有影響，卻能夠抑制其生長與繁殖，這說明NPF 可能不參與靜水椎實螺的攝食調(diào)控而參與其生長繁殖調(diào)控過程[59]。

5 神經(jīng)肽Y 及其受體的研究前景展望

NPY 在生物體內(nèi)廣泛存在，在中樞以及外周都起著非常重要的調(diào)節(jié)作用。近年來隨著NPY 及其受體研究的不斷深入，其作用機理及參與的生理調(diào)控網(wǎng)絡(luò)被進一步的闡釋。目前研究魚類中NPY 對生物體的攝食、生長繁殖以及神經(jīng)內(nèi)分泌的調(diào)節(jié)等生理機制已有了初步的了解，但尚不夠清晰。例如，1、在魚類中，NPY 為何具有如此廣泛的生理調(diào)控功能？2、NPY 為何能夠在不斷地進化中保持其穩(wěn)定性？3、Y7 與Y8 兩種亞型受體僅在魚類及兩棲動物中存在的意義？4、在魚類幼年期與成年期NPY 的作用是否改變？等這些科學問題都有待更多的研究結(jié)果給予更充分的支持和說明。對魚類中NPY 的進一步深入研究，將有助于我們深入了解NPY 在魚類的生長、發(fā)育、生殖等多種生理調(diào)控相關(guān)的神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)中的作用，也將為系統(tǒng)地認識NPY 系統(tǒng)在不同動物進化演變中的功能角色轉(zhuǎn)變提供重要參考。